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2012-12-01布拉格開創X射線繞射的春天
516 期
Author 作者
邱韻如/任教長庚大學通識中心物理科
2012年12月,澳洲阿得雷德大學(The University of Adelaide)舉辦一場晶體學的研討會,主題是紀念布拉格父子X射線繞射研究一百週年。
這對諾貝爾獎級的父子是澳洲南部人,爸爸亨利布拉格(Henry Bragg,1862~1942)畢業於劍橋大學三一學院,曾在卡文迪西實驗室學習物理,23歲時就當上了阿得雷德大學物理系的教授。兒子勞倫斯布拉格(Lawrence Bragg, 1890~1971)於1905年進入阿得雷德大學,三年後取得學士學位。1909年,這對父子前往英國,爸爸在里茲大學(University of Leeds)工作,兒子則進入爸爸的母校劍橋大學三一學院,之後進入卡文迪西實驗室,在爸爸的指導老師J.J.湯木生(J. J. Thomson, 1856~1940)的指導下從事科學研究。
神奇X 光照出晶體結構
1895年底,倫琴(Roentgen, 1845~1923)發現轟動世界的X射線,隔年,老布拉格已用自製的X射線管幫不慎摔傷的6 歲小布拉格照骨頭。X射線雖然在發現後立刻被用於醫療,也吸引許多物理學家作了大量的實驗及理論研究,但直到1912年,其物理性質還不明朗。
1912年,勞厄(Max von Laue, 1879~1960)利用晶體,證實了X射線是一種電磁波並測出其波長。這個研究引起了長期關注X射線的布拉格父子的高度注意。在勞厄這篇論文發表的四個月後, 1912年11月11日,小布拉格發表了一篇以〈晶體對短波長電磁波的繞射〉為題的論文。在這對父子的努力下,1913年底,用X射線分析晶體結構已逐漸成為一門嶄新的分析技術。
1914年諾貝爾物理獎由勞厄獲得,1915年則頒給了布拉格父子,當時小布拉格才25歲,時至今日他還是史上最年輕的諾貝爾獎得主。
布拉格兩度接替拉塞福職位
1919年秋天,小布拉格前往曼徹斯特大學接替拉塞福(Rutherford, 1871~1937)出任物理系主任。在1919~1937年期間,拉塞福在劍橋大學主持卡文迪西實驗室,小布拉格在曼徹斯特大學建立X射線晶體學實驗室,並開創以傅立葉級數來分析各種矽酸鹽礦物晶體結構的方法,許多科學家都到那兒學習與進行X射線繞射技術探測晶體,曼徹斯特大學成為名聞世界的X 射線晶體結構分析研究中心。
1938年,小布拉格回到卡文迪西實驗室,接替拉塞福遺留下的職務。在他連續三屆擔任主任領導卡文迪西實驗室的15年間,以X射線繞射為探測工具,開創了生物大分子如蛋白質與DNA的結構研究。
布拉格父子因X射線對晶體結構的分析研究,而獲得1915年的諾貝爾物理學獎。(A)父:亨利布拉格(B)子:勞倫斯布拉格。
繞射對象從礦物轉向生物分子
布拉格父子創建的X射線繞射研究晶體結構的方法,引領科學家進入微觀世界,在繞射過各種矽酸鹽等礦物之後, 1930年代,有一些好奇的科學家將X射線轉向探測生命物質的結構。
化學鍵研究的先驅鮑林(Pauling, 1901~1994, 1954年諾貝爾化學獎得主)於1930年代中期,在加州理工大學接觸到一批生物學大師,開始對生物大分子結構研究產生了興趣。他以攻讀博士學位期間所學習的X射線繞射晶體結構的方法,測定血紅蛋白的結構,後來又進一步研究蛋白質結構;1950年,他提出蛋白質是α螺旋結構,為DNA的雙螺旋結構探究,奠定了基礎。
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